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tags: sysprog
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# [你所不知道的 C 語言：記憶體管理、對齊及硬體特性篇](https://www.youtube.com/watch?v=v2Lj7lI_7ig&feature=youtu.be)

### 你可能沒想過的 Memory
1. malloc有可能不成功，即便回傳valid pointer也不一定能用! 因為當我們 malloc() 的時候，記憶體預設是允許==overcommit==的，如果記憶體實際有32MB，但你可以malloc遠超32MB。 但這可能會導致非常糟糕的結果 - 宣告時沒事，但真去操作時卻會把任意 process 殺掉。
>alloc 給 valid pointer不要太高興，等你要開始用的時候搞不好作業系統給個 OOM。簡單來說就是一張支票，能不能拿來開等到兌現才知道

OOM Killer (Out-Of-Memory Killer)，他會在沒有記憶體不夠用時會被喚醒，並砍掉一些 process 以釋放記憶體給你用。 但你無法確定到底哪些會被砍，甚至連你自己都會被砍。 所以也有人認為這個從 overcommit 到 OOM Killer 的機制根本就是個Bug

2. mlock : `mlock`要求(不一定會被O.S接受)特定記憶體區塊常駐於此，而不會被置換 ( swap out ) 到硬碟的`/swap`裡面。

### data alignment

3. data alignment 的意思就是， data 的 address 可以公平的被 1, 2, 4, 8,這些 $2^N$數字整除

4. 編譯器會幫你想辦法做data alignment
如果有一 structure 是 `int` + `char`，雖然在 C 裡面他的大小應是 5 bytes，但是考慮到對齊，為了存取 `int` 他需要 4 bytes 的倍數 ，所以編譯器會自動安排 8 ( 4 x 2 ) bytes 空間給你。

    #include<stdio.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<string.h>
    typedef struct _s1 {
        char a;
        int b;
    } s1;
    int main() {
        s1 p[10];
        printf("struct s1 size: %ld byte\n", sizeof(s1));
        for(int i = 0; i < 5; i++) {
            printf("the struct p[%d] address =%p\n", i, p + i);
        }
    }

    struct s1 size: 8 byte
    the struct p[0] address =0x7ffe803b08a0
    the struct p[1] address =0x7ffe803b08a8
    the struct p[2] address =0x7ffe803b08b0
    the struct p[3] address =0x7ffe803b08b8
    the struct p[4] address =0x7ffe803b08c0

*注意 : 為了對齊的效率，編譯器有可能把`int`擺在前頭`char`在後頭，跟程式碼順序不同*

但是，如果有另一 structure 是 `char[5]`，大小同樣是 5 bytes，單卻不會如同上述分配 8 bytes，但因為此結構都是`char`，data alignment 會是 1 bytes，所以也就沒什麼好對齊的。

    // ...
    typedef struct _s1 {
        char a[5];
    } s1;
    // ...

    struct s1 size: 5 byte
    the struct p[0] address =0x7ffd701df160
    the struct p[1] address =0x7ffd701df165
    the struct p[2] address =0x7ffd701df16a
    the struct p[3] address =0x7ffd701df16f
    the struct p[4] address =0x7ffd701df174

5. pack 跟 alignment 是成對的
`#pragma pack()` 是 告訴編譯器 「我期望多大，最終就該配置多大，且資料排列順序要跟我預期的一樣。」，這可以解決上述第 4 點所說的「編譯器自動幫你安排資料順序」的情況，這些嚴格限制的特性主要是運用在網路封包的處理上。

    #pragma pack(1)
    typedef struct _test1 {
        char c[3];
        int num[256];
    } test1;
    #pragma pack(pop)

    typedef struct _test2 {
        char c[3];
        int num[256];
    } test2;

所以，如上 test1 結構，他的大小就會是 1027 (3+1024) bytes，且 `char[3]` 一定會排在 `int[256]` 前面。

但現在處理器對 misalignment 已經有很大的改良，一般狀況下效率不會差太多。

6. 在64位元電腦中，C 的 malloc() 會以 16 bytes 做 data alignment
> In the GNU system, the address is always a multiple of eight on most systems, and a multiple of 16 on 64-bit systems.

8. 注意，對於 unaligned data的存取，某些處理器的硬體架構是可以支援的，但對於效能有很大的拖垮。

某些處理器的硬體架構則根本不允許你做如此的記憶體存取，會回傳給你錯誤訊息。

更甚者，某些處理器會在沒有任何警告情況下回傳你**錯誤的資料** !

所以，探討 alignment 議題，就是為了讓你能夠寫的軟體能夠「跨平台」，從嵌入式到超級電腦，在面對對應不同的處理器、不同的硬體架構都能執行正確的行為。

### Misalignment data v.s unaligned data
misalignment data 是「資料存放位置不好，導致取一次資料處理器就得三番兩次對記憶體做access，再把好幾個區塊中部分會用到的資料做剪裁、拼接」。

unaligned data 則是「對於那些位置不好的資料，我不照規矩 ( 照alignment ) 一個一個區塊取出來再拼貼，而是把處理器指向非區塊起點的記憶體位址去存取資料」。